Index of /oktatas/konyvek/abet/BMEVEMBA779_Biomernoki_szamitas_es_tervezes/NémethÁ

Dr Németh Áron, adjunktus, BME-ABÉT, F-Labor

Process Simulation - Flowsheeting

 „Not only Bio but engineering also…”

 Folyamatszimuláció def.:

vegyipari/biotechnológiai műveletekből felépülő technológiák szimulációja

 ~tervezés, de „csak” szimuláció -> mire jó?

 Nagyobb projektek előkészítésekor

Megvalósíthatósági Tanulmány = Feasibility

Study

Process Simulation - Flowsheeting

 Hogy működik?

 Minden műveletre a spec. Modell alapján M&E mérleget állít fel => egész technológia M&E

balance

 Ehhez hozzákapcsolva a

költségelemeket=>gazdasági becslések (pl.:

befektés, megtérülés, termék önköltségi ára stb…)

 M&E+Env.props.=>Környezetvédelmi Hatástanulmány

 Technológia fejlesztés+transzfer

SuperPro Designer

 http://www.intelligen.com

 ->demo (limit) - >ÖNÁLLÓ feladat ->EMAIL!

Megajánlott pontszám!!

-kiadott feladat v.

-önállóan kitalált és megoldott ( tetszőleges Proc Unit, listát kérni) ZH: -4x2ea->4feladat, LAPTOP?

-50%tól elégs.

+minden Feladat min 40%

 ->manual

 ->examples

 recbgal előállítás

 recInsulin ea

 Biodiesel

 Cheese

 WWT (GE)

 Pharma (COM)

Setup and structure of

flowsheets

1.

Unit Procedure (Level 2)

2.

Connect mode

3.

Register Components

4.

Operational (Level 1)

5.

Equipment (Level 3)

6.

Section (Level 4)

7.

Flowsheet (Level 5)

Setup and structure of

flowsheets

1.

Unit Procedure (Level 2)

2.

Connect mode

3.

Register Components

4.

Operational (Level 1)

5.

Equipment (Level 3)

6.

Section (Level 4)

7.

Flowsheet (Level 5)

Setup and structure of

flowsheets

1. Unit Procedure (Level 2)

2. Connect mode

3. Register Components

4. Operational (Level 1)

5. Equipment (Level 3)

6. Section (Level 4)

7. Flowsheet (Level 5)

8. Solve M&E balance

9. Perform Economic Calculations

10. Generate Reports

11. Start different scenarios (Pl.:scale up)

Tricks

1.

Látszólag vezeték, valójában anyagáram => 1x használható

2.

Anyagmérlegeket old meg, de számított sűrűségből térfogatokkal is kalkulál=>mindig ellenőrizni

3.

„can not handle back propagation”=túlhatározott modell, vagy balról jobbra, vagy visszafelé (de csak egy irányba) kell tudnia számolni

4.

pH-t nem tud számolni/kezelni->labor eredmények alapján sav/lúg fogyás

5.

Eszközökben levegő van default->feltöltéskor emittálni kell(het)

6.

Hiányzó műveletek helyett Generic box (reaction&separation)

7.

SCHEDULING->Gant chart, Master/slave relationship

P-2 / 20L fermenter Seed Fermentation

P-3 / 200L fermenter Fermentation

Batch LA fermentation with Lactobacillus MKT878

P-1 / 2L f ermenter Seed Fermentation P-5 / Supplement.Tank

Blending / Storage Supplement

S-112

37.00 °C 199.87 kg/batch

1,5L Juice 25.00 °C

15L Juice 25.00 °C

150L Juice 25.00 °C

0,04L HCl (37%) 25.00 °C

0,4L HCl (37%) 25.00 °C

4L HCl (37%) 25.00 °C

0,1L NH4OH (20%) 25.00 °C

1L NH4OH (20%) 25.00 °C

10L NH4OH (20%) 25.00 °C

0,033kg CaCO325.00 °C

0,33kg CaCO3 25.00 °C

3,3kg CaCO3 25.00 °C

S-101 S-103 S-104

Inocula 37.00 °C S-105 37.00 °C S-106 37.00 °C

NH4OH Alcalase

S-107 S-108

S-109 S-102

Tricks

8.

Resource charts – inventory charts (Supply) – logisztika

9.

Design: Edit label, Name tag, Info tag, Edit Elbows, Pick up style/Apply,

egyéb feliratok (pl. Section)

Example No.2.

2. feladat (A .spffile elküldendő a naron@f-labor.mkt.bme.huemail címre)

Töltsön be egy fermentorba 99kg 1%-os glükóz oldatot és 1kg 1%-os biomassza

(oltó)anyagot. Végezzen kinetikus fermentációt 36h-án át 60°C-on, 0,5VVM levegőztetéssel (Km=35 mg/L, μmax=0,1 1/h, Y_X/S=0,2 g/g, Y_CO2/S=0,8 g/g). A levegőt kompresszor

szolgáltassa, amelyik a fermentációval paralel működik, és a levegő mennyiségét

automatikusan számoltatja a fermentáció igényének megfelelően. A fermentáció után űrítse ki a fermentort, és tisztítsa ki 2h-n át 50°C-os 0,5M NaOH-val (120L/m3). A kompresszort

helyezze„upstream” szekcióba, a fermentort pedig a „main” szekcióba.(2pont) 1. Kérdés: Mennyi a ciklus idő? (1pont)

2. Kérdés: Mennyi a megtérülési idő, ha a fermentlevet 100$/kg áron értékesíti, miközben a glükózt 1$/kg áron veszi, és az emittált levegő tisztítása 0,1$/kg áron történik?

3. Kérdés: Milyen arányú a két szekció között a költségmegoszlás? (1pont)

Economic Evaluation

-> Operating Cost (OpEx) $/yr -> Capital Expenses (CapEx) $

Details: see flowsheet

𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 𝑇𝑖𝑚𝑒 (𝑦𝑟) = 𝐶𝑎𝑝𝐸𝑋($) 𝑅𝑒𝑣𝑒𝑛𝑢𝑒 $

𝑦𝑟 − 𝑂𝑝𝐸𝑥(

$ 𝑦𝑟)

Case Study

Case Study

Case Study

1 10 100 1 000 10 000

22 219

2 196

21 961

100 000 Scale(kg LA/batch)

Mesophil LA ($/kg) Thermotol. LA ($/kg)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

22 219 2 196 21 961 100 000 Scale (kg LA/batch)

Operating Costs ($/yr)

Utilities

Labor dependent Facility Dependent Materials

Sterilization

hőpusztulás a fűtés alatt:

1 t

0 N1 kdt

N 0

ln     fűűté

hőpusztulás a hőntartás alatt: ^k _tartas ^.  ^t ₂ ^t ₁  _tartas

N 2 N 1

n    

L

hőpusztulás a hűtési szakasz alatt: ln N2

N v kdt hûtés

t 2

 t v   

      

 

  

    

fûtés tartás hûtés

0 v

0 1

1 2

2 v

0 1

1 2

2 v

ln N

N ln N N

N N

N

N ln N

N ln N

N ln N N

0,20 0,75 0,05

Például batch:

conti 0,01 0,97 0,02

Hőpenetrációs görbe!

Sterilization

temp k_d 100 0,019 101 0,025 102 0,032 103 0,04 104 0,051 105 0,065 106 0,082 107 0,105 108 0,133 109 0,168 110 0,212 111 0,267 112 0,336 113 0,423 114 0,531 115 0,666 116 0,835 117 1,045 118 1,307 119 1,633 120 2,037 121 2,538

y = 0,0000000000017e0,2321743094385x

R² = 0,9997284592265

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

100 105 110 115 120 125

kd[1/min]

T[°C]

kd-T

8. Feladat (A .spf file elküldendő a nemeth_aron@freemail.hu email címre)

Tervezzen szakaszos üzemű „energiatakarékos” fermentációs üzemet, ahol a kijövő meleg (40°C-os) fermentlé

hőcserélőben előfűti a fermentorba töltendő tápközeget (5kg glükóz 1%os oldatban). A fermentort gőzzel ki kell sterilezni, és benne Km=35 mg/L, µmax=0,1 1/h, YX/S=0,2 g/g,

YCO2/S=0,4 g/g valamint Ycitromsav/s=0,4 g/g

paraméterekkel leírható 48h-ás fermentáció zajlik (inokulum 10kg 1%-os sejtszuszpenzió). A reaktort kiürítés után ki kell tisztítani, amely művelthez 10L/m2 mosóvíz szükséges. 1.

Kérdés: Hány kW az üzem maximálisan felvett elektromos teljesítménye? 2. Kérdés: Mennyi az üzem önköltségi ára a fermentlére vonatkoztatva?

Önálló Feladat 3.

Végezzen diaszűrést egy enzimfermentáció 100kg fermentlevének feldolgozására! A fermentlé 10%

mikrobatömeget és 1% aktív enzimet tartalmaz. A tisztítás során a termék valahány%‐a inaktíválódik (nézzen utána a szakirodalomban), és a diaszűrés során, először koncentrálja be a fermentlevet az 1/5‐ére, majd a megmaradt térfogat 1x, 3x 5x és 10x‐esével végezzen diaszűrést. Mind a 4 esetben jegyezze fel a kapott tiszta termékkoncentrációt és a

tisztaáram össztömegét, valamint a termék veszteséget.

Ábrázolja őket Excellben! Beadandó: EER report, Excelles diagram, az optimális diaszűrési térfogat.